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Können mobile Raumluftreiniger eine indirekte SARS-CoV-2 Infektionsgefahr durch Aerosole wirksam reduzieren?

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Abstract

Die weltweite Entwicklung der SARS-CoV-2 Infektion verdeutlicht, dass die Pandemie erst am Anfang steht und nicht aufzuhalten ist. Selbst wenn ein wirksamer und gut verträglicher Impfstoff zur Verfügung stände, wäre eine umfangreiche Impfung der Weltbevölkerung zur Bekämpfung der Virusausbreitung nicht realisierbar. Es ist daher notwendig, technische Lösungen zur Eindämmung der Pandemie zu etablieren. Mund-Nasen-Bedeckungen sind inzwischen allgemein anerkannte technische Hilfsmittel, um die direkte Infektionsgefahr beim Atmen, Sprechen, Singen, Husten und Niesen zu verringern. Die indirekte Infektion über infektiöse Aerosolpartikel, die sich mit der Zeit im Raum anreichern, lässt sich mit Mund-Nasen-Bedeckungen nicht verhindern [5]. Dafür sind festsitzende partikelfiltrierende Atemschutzmasken erforderlich. Alternativ besteht die Möglichkeit die Aerosolpartikel im Raum mittels Filterung abzuscheiden oder über die Fensterlüftung abzuführen. Raumlufttechnische Anlagen, die Aerosolpartikel mit einem Durchmesser kleiner 1 μm verlässlich abscheiden, sind selten. Das freie Lüften mittels Fenster ist oft nicht effizient und spätestens im Winter nicht mehr möglich ohne Energie zu verschwenden und die Gesundheit sowie das Wohlbefinden der Menschen zu gefährden. Die Frage ist daher, ob mobile Raumluftreiniger grundsätzlich geeignet sind, einen sinnvollen Beitrag zur Reduzierung der Infektionsgefahr zu leisten? Um die Frage zu beantworten, wurde ein TROTEC TAC V+ Raumluftreiniger mit einem Volumenstrom von bis zu 1500 m 3 /h systematisch analysiert. Das Gerät verfügt über eine Filterkombination, die gewährleistet, dass Aerosolpartikel mit einem Durchmesser von 0,1 bis 0,3 μm zu 99,995% aus der Raumluft abgeschieden werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Aerosolkonzentration in einem Raum mit einer Größe von 80 m 2 innerhalb kurzer Zeit überall auf ein geringes Maß reduziert werden kann. Damit stellen Raumluftreiniger mit großem Volumenstrom und hochwertigen Filtern der Klasse H14 aus unserer Sicht eine sehr sinnvolle technische Lösung dar, um in Schulen, Büros, Geschäften, Wartezimmern, Gemeinde-und Vereinshäusern, Aufenthalts-und Essensräumen etc. die indirekte Infektionsgefahr durch Aerosole stark zu verringern. Sie können aber auch in Gebäuden mit raumlufttechnischen Anlagen unterstützend eingesetzt werden, in denen Menschen zusammenstehen (Wartebereich) und gemeinsam arbeiten oder in denen aufgrund der Arbeitslast viel Aerosol ausgestoßen wird (Fitnessstudio). Version vom 05.08.2020 https://www.unibw.de/lrt7/raumluftreiniger.pdf https://youtu.be/3Y3KElUdFFU
Version vom 05.08.2020
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Können mobile Raumluftreiniger eine indirekte SARS-CoV-2
Infektionsgefahr durch Aerosole wirksam reduzieren?
Christian J. Kähler, Thomas Fuchs, Rainer Hain
Universität der Bundeswehr München
Institut für Strömungsmechanik und Aerodynamik
Werner-Heisenberg-Weg 39
85577 Neubiberg
Übersicht
Die weltweite Entwicklung der SARS-CoV-2 Infektion verdeutlicht, dass die Pandemie erst am
Anfang steht und nicht aufzuhalten ist. Selbst wenn ein wirksamer und gut verträglicher
Impfstoff zur Verfügung snde, wäre eine umfangreiche Impfung der Weltbevölkerung zur
Bekämpfung der Virusausbreitung nicht realisierbar. Es ist daher notwendig, technische
Lösungen zur Eindämmung der Pandemie zu etablieren. Mund-Nasen-Bedeckungen sind
inzwischen allgemein anerkannte technische Hilfsmittel, um die direkte Infektionsgefahr beim
Atmen, Sprechen, Singen, Husten und Niesen zu verringern. Die indirekte Infektion über
infektiöse Aerosolpartikel, die sich mit der Zeit im Raum anreichern, sst sich mit Mund-
Nasen-Bedeckungen nicht verhindern [5]. Dafür sind festsitzende partikelfiltrierende
Atemschutzmasken erforderlich. Alternativ besteht die Möglichkeit die Aerosolpartikel im
Raum mittels Filterung abzuscheiden oder über die Fensterlüftung abzuführen.
Raumlufttechnische Anlagen, die Aerosolpartikel mit einem Durchmesser kleiner 1 μm
verlässlich abscheiden, sind selten. Das freie Lüften mittels Fenster ist oft nicht effizient und
spätestens im Winter nicht mehr möglich ohne Energie zu verschwenden und die Gesundheit
sowie das Wohlbefinden der Menschen zu gefährden. Die Frage ist daher, ob mobile
Raumluftreiniger grundsätzlich geeignet sind, einen sinnvollen Beitrag zur Reduzierung der
Infektionsgefahr zu leisten? Um die Frage zu beantworten, wurde ein TROTEC TAC V+
Raumluftreiniger mit einem Volumenstrom von bis zu 1500 m3/h systematisch analysiert. Das
Gerät verfügt über eine Filterkombination, die gewährleistet, dass Aerosolpartikel mit einem
Durchmesser von 0,1 bis 0,3 μm zu 99,995% aus der Raumluft abgeschieden werden. Die
Ergebnisse zeigen, dass die Aerosolkonzentration in einem Raum mit einer Größe von 80 m2
innerhalb kurzer Zeit überall auf ein geringes Maß reduziert werden kann. Damit stellen
Raumluftreiniger mit großem Volumenstrom und hochwertigen Filtern der Klasse H14 aus
unserer Sicht eine sehr sinnvolle technische Lösung dar, um in Schulen, Büros, Geschäften,
Wartezimmern, Gemeinde- und Vereinshäusern, Aufenthalts- und Essensräumen etc. die
indirekte Infektionsgefahr durch Aerosole stark zu verringern. Sie können aber auch in
Gebäuden mit raumlufttechnischen Anlagen unterstützend eingesetzt werden, in denen
Menschen zusammenstehen (Wartebereich) und gemeinsam arbeiten oder in denen aufgrund
der Arbeitslast viel Aerosol ausgestoßen wird (Fitnessstudio).
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1. Einleitung
Nach gegenwärtigem Stand der Forschung wird SARS-CoV-2 hauptsächlich über Tröpfchen
übertragen, die beim Atmen, Sprechen, Singen, Husten oder Niesen entstehen und über die
Atemluft aus- und eingeatmet werden [1, 2, 3, 4]. Eine direkte Infizierung, bei der viele
emittierte Tröpfchen über kurze Distanz (kleiner 1,5 m) von einer nicht infizierten Person
eingeatmet werden, kann mit Hilfe von partikelfiltrierenden Atemschutzmasken (FFP2/3 oder
besser) wirksam verhindert werden, da diese Atemschutzmasken Tröpfchen beim Ein- und
Ausatmen bis zu einer festgelegten Größenklasse zuverlässig abscheiden [5]. Diese
Atemschutzmasken bieten daher auch ohne Sicherheitsabstand einen sehr guten Selbst- oder
Eigenschutz. Sie bewirken aber auch, dass die von infizierten Personen emittierten Viren kaum
in die Raumluft gelangen. Daher bieten sie neben dem Eigenschutz auch einen Fremdschutz
bzgl. einer direkten und indirekten Infizierung, sofern kein Auslassventil integriert ist.
Größere Tröpfchen werden auch durch einfache Mund-Nasen-Bedeckungen wirksam
abgeschieden. Da größere Tröpfchen statistisch mehr Viren transportieren können als kleine
Tröpfchen, ist dieser Effekt bei Vorgängen, die primär große Tröpfchen produzieren (Husten,
Niesen) bedeutsam. Die kleinen Tröpfchen gelangen jedoch durch Spalte am Rand der Mund-
Nasen-Bedeckungen in die Außenluft, weil diese Bedeckungen einerseits nicht fest genug mit
dem Gesicht abschließen und andererseits die Strömung zum großen Teil dem Weg des
geringsten Strömungswiderstands folgt [5]. Aufgrund des Strömungswiderstands der Mund-
Nasen-Bedeckung und der Umlenkungsverluste verbleiben die kleinen Tröpfchen aber
zunächst in der Umgebung des Kopfes. Dadurch wird die kurzfristige Ausbreitung der
Tröpfchen beim Sprechen, Singen, Husten oder Niesen stark begrenzt und damit wird das
direkte Infektionsrisiko enorm reduziert [5, 6, 7, 8, 9]. Diese Bedeckungen schützen aber nur
dann wirkungsvoll, wenn zusätzlich ein Sicherheitsabstand (mindestens 1,5 m) eingehalten
werden kann. Da bei diesen Mund-Nasen-Bedeckungen die kleinen Tröpfchen freigesetzt
werden, können sie sich mit der Zeit im Raum anreichern und selbst dann zu einer indirekten
Infektion führen, wenn die infizierte Person nicht mehr im Raum ist [8, 10].
Kleine Tröpfchen, die in der Luft über Stunden schweben und mit der Luftströmung über große
Entfernungen transportiert werden können, werden Aerosolpartikel oder Schwebeteilchen
genannt und das Gemisch aus Luft und Aerosolpartikel wird als Aerosol bezeichnet. Es ist
wissenschaftlich erwiesen, dass ein mit infektiösen Viren beladenes Aerosol zu einer COVID-
19 Infektion führen kann, solange die flüssige Phase der Aerosolpartikel nicht vollständig
verdunstet ist [11, 12]. Die Verdunstungszeit wässriger Aerosolpartikel mit einem Durchmesser
von einigen Mikrometern beträgt bei moderater Luftfeuchtigkeit weniger als eine Sekunde [6].
Bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit (ca. 85%) kann jedoch die Verdunstungsrate mit der
Kondensationsrate ins Gleichgewicht kommen und dann bleibt der Flüssigkeitsanteil dauerhaft
erhalten. Die Infektionswahrscheinlichkeit wird dann nur durch die Halbwertzeit der Viren
limitiert. Die SARS-CoV-2 Halbwertzeit beträgt 1,1 1,2 Stunden, d.h. nach einer guten Stunde
geht von der Hälfte der Viren in einem Tropfen statistisch gesehen keine Infektionsgefahr mehr
aus [11]. Ob auch Aerosolpartikel nach dem Verdunsten der flüssigen Phase noch infektiös
sind, wird gegenwärtig kontrovers diskutiert [13, 14, 15]. Diese aus Salzen, Virenmaterial und
getrocknetem Schleim bestehenden festen Partikel werden als Tröpfchenkerne bezeichnet. Je
nach Feststoffanteil sind die Tröpfchenkerne sehr viel kleiner als die ursprünglichen Tröpfchen,
aus denen sie hervorgegangen sind. In Kapitel 9 werden wir darauf näher eingehen. Aufgrund
ihrer geringen Größe schweben die Tröpfchenkerne ebenfalls in der Luft und daher bilden sie
selbst bei geringer Luftfeuchtigkeit ein langlebiges Aerosol, das sich im Raum mit der Zeit
anreichern kann, sofern Quellen vorhanden sind und es nicht gefiltert oder abgeführt wird.
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Da die indirekte Infektionswahrscheinlichkeit in einem Raum mit der Anzahl der infizierten
Personen und der Aufenthaltsdauer zunimmt, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um die
Virenlast in der Raumluft zu begrenzen. Welcher Grenzwert dabei angestrebt werden sollte ist
derzeit nicht festgelegt und es ist auch nicht klar, wie die SARS-CoV-2 Konzentration im Raum
überhaupt gemessen werden soll. Viele Gebäude verfügen über raumlufttechnische (RLT)
Anlagen, die dafür sorgen, dass die kontaminierte Luft kontrolliert abgeführt und gefilterte bzw.
frische Luft von außen hinzugefügt wird. In Regionen mit moderaten klimatischen
Bedingungen erfolgt die Lüftung aber in der Regel über die freie Lüftung mittels Fenster und
Türen. Empfohlene Luftwechselraten orientieren sich am CO2 Ausstoß und anderen
Ausdünstungen der Menschen (z.B. Wasserdampf), sowie der Schadstoffanreicherung im
Raum (z.B. Radon) und der Vorbeugung von Gebäudeschädigungen (z.B. Schimmelbildung)
[16]. Bereits 1858 hat Max von Pettenkofer erkannt, dass im Innenraum CO2 Werte von
maximal 1000 ppm angestrebt werden sollten [17]. Bei einer CO2 Umgebungsbelastung von
450 ppm in Städten ist dieser Wert aber oft schwierig zu realisieren [18]. Für viele Bereiche
wird daher unabhängig von der CO2 Konzentration empfohlen pro Stunde eine bestimmte
Frischluftmenge zuzuführen, die je nach Raumnutzung variiert. In Büros, Gaststätten und
Verkaufsräumen sollte pro Stunde bis zum 4 8 fachen des Raumvolumens zugeführt werden,
um die Menschen und die Gebäude vor Schadstoffen zu schützen und die Leistungsfähigkeit
der Personen sicherzustellen [18, 19]. Wenn allerdings Schadstoffe in den Raum emittiert
werden, von denen ein erhebliches Gesundheitsrisiko ausgeht, wie z.B. Viren, dann sind je
nach Gefährdungsstufe deutlich größere Luftwechselraten von 12 15 notwendig [20, 21, 22].
Der wesentliche Vorteil der RLT Anlagen gegenüber der freien Lüftung besteht darin, dass sie
kontinuierlich für eine angemessene Raumluftqualität sorgen und ein regelmäßiges manuelles
Regulieren mittels Fenstern entfällt, siehe Abbildung 1 (links). Sie müssen aber regelmäßig
gewartet und richtig betrieben werden. Oft werden sie aus energetischen Gründen nur mit
geringer Frischluftzufuhr und einfachen Filtern betrieben. Zur Verhinderung von indirekten
Infektionen ist aber eine ausreichende Frischluftzufuhr oder eine sehr gute Filterung der
Raumluft erforderlich [23]. In Deutschland wird aufgrund der klimatischen Bedingungen
vielfach mit Hilfe der freien Lüftung durch Fenster Frischluft zugeführt. Bei der Stoßlüftung
kann bei geeigneten Windbedingungen oder Temperaturunterschieden die vorhandene
Schadstoffkonzentration im Raum innerhalb kurzer Zeit stark verringert werden, aber nach
dem Schließen der Fenster steigt die Schadstoffkonzentration wieder allmählich an, wie in
Abbildung 1 (rechts) schematisch dargestellt.
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Schadstoffkonzentration und des
Temperaturverlaufes in einem Raum mit RLT Anlage (links) und Stoßlüftung (rechts)
Um die Schadstoffkonzentration auf einem niedrigen Niveau zu halten, muss daher häufig
stoßgelüftet oder besser dauergelüftet werden. Die Querlüftung ist bei geeigneten
Witterungsbedingungen am effektivsten, aber diese kann auch schnell als unangenehm
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empfunden werden. Ein gekipptes Fenster führt hingegen meist zu keinem nennenswerten
Luftaustausch im Raum [16]. Unter diesen Bedingungen ist es empfehlenswert, zwei Fenster
zu öffnen und vor ein Fenster einen Ventilator zu stellen, der von außen frische Luft in den
Raum führt. Aufgrund der Druckerhöhung wird die verbrauchte oder kontaminierte Luft dann
durch das andere Fenster abgeführt. Mit dieser Methode werden alle Bereiche des Raumes
mit Frischluft versorgt und die Verweilzeit des Aerosols im Raum kann kurzgehalten werden,
so dass eine indirekte Infektion sehr unwahrscheinlich wird. In der kalten Jahreszeit ist die
freie Lüftung aber nicht nur ungemütlich, sondern sie gefährdet auch die Gesundheit. Ferner
ist eine freie Lüftung energetisch schlecht und in fensterlosen Räumen nicht möglich. Darüber
hinaus ist die Effizienz des Luftaustausches bei der freien Lüftung abhängig von nicht
beeinflussbaren Parametern wie der Position und Größe der Fenster, der Geschwindigkeit und
Richtung des Windes vor den Fenstern, dem Temperaturunterschied zwischen innen und
außen und der Bereitschaft der Menschen zu lüften [24, 25].
Welche Lüftungsart den besten Schutz vor einer indirekten SARS-CoV-2 Infektion bietet lässt
sich schwer feststellen, da die Anzahl der emittierten Viren oder die Virenkonzentration und
damit die Infektionswahrscheinlichkeit in einem Raum nicht bekannt ist. Da auch keine
Korrelation zwischen Virenkonzentration und anderen Größen wie z.B. der CO2 Konzentration
besteht, kann die Virenlast auch nicht indirekt über den CO2 Gehalt gemessen werden. Aus
diesem Grund sind möglichst hohe Luftwechselraten anzustreben, um die
Infektionswahrscheinlichkeit zu minimieren. Aufgrund der tödlichen Gefahr, die von einer
SARS-CoV-2 Infektion ausgeht, ist es sicherlich vernünftig, die bereits ohne Infektionsrisiko
empfohlenen Luftwechselraten nicht zu unterschreiten, sondern zu übertreffen.
Es ist abzusehen, dass in der aktuellen Pandemie spätestens im Winter zusätzliche
Herausforderungen auftreten werden, um das Infektionsrisiko in geschlossenen Räumen zu
minimieren. Aber schon die aktuell diskutierte Schulöffnung ohne Einhaltung von
Sicherheitsabständen und ohne Nutzung von Mund-Nasen-Bedeckungen oder
partikelfiltrierenden Atemschutzmasken wird von vielen Menschen mit Sorge betrachtet, da die
Möglichkeit besteht, dass sich die Kinder untereinander infizieren und die Infektionskette dann
über die Eltern und Großeltern verläuft. Da die Sterblichkeit mit dem Alter zunimmt, ist diese
Sorge vieler Eltern gut begründet und berechtigt. Es ist daher die Frage, ob sich auch in
Gebäuden ohne RLT Anlagen mit Filtern der Klasse H13/H14 oder 100% Frischluftzufuhr die
Virenlast effektiv minimieren lässt, ohne den Komfort zu reduzieren oder akute Schädigungen
der Gesundheit in Kauf zu nehmen.
Es ist erforderlich eine Lösung zu suchen, die einerseits im Raum weder schnelle
Luftbewegungen, noch große Temperatur- oder Luftfeuchteschwankungen hervorruft, die zur
Beeinträchtigung der Behaglichkeit führen [26], andererseits aber mit infektiösem
Virenmaterial kontaminierte Aerosolpartikel (Tröpfchen und Tröpfchenkerne) effizient
herausfiltert und sie nicht wie eine „Virenschleuder“ unkontrolliert verteilt [4]. Damit dies
gewährleistet werden kann, ist eine ausreichende Luftwechselrate wichtig und die Verweilzeit
der emittierten Aerosolpartikel muss möglichst gering sein. Die Luftwechselrate bezeichnet
dabei nicht, dass die Luft komplett ausgetauscht wird wie in einer Luftpumpe, sondere den
Anteil an frischer oder gereinigter Luft, der bezogen auf das Raumvolumen pro Stunde
zugeführt wird [24]. Auf der anderen Seite dürfen die Luftgeschwindigkeit und die turbulente
Schwankungsbewegung der Luft nicht zu groß sein, da es ansonsten für die Personen im
Raum je nach Bekleidung und Tätigkeit unangenehm werden kann. Abbildung 2 illustriert die
Abhängigkeit der Behaglichkeit von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit, der turbulenten
Luftschwankungen und der Temperatur gemäß [26]. Die Bereiche unterhalb des jeweiligen
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Kurvenverlaufes können als angenehm betrachtet werden. Als Richtwert wird üblicherweise
gefordert, dass bei moderaten Raumtemperaturen die Luftgeschwindigkeit im Mittel über lange
Zeiträume kleiner als 0,3 m/s sein sollte.
Abbildung 2: Bereiche mit nicht störender Luftgeschwindigkeit nach [26]
Die Strömungsbewegung im Raum ist daher sehr wichtig zu betrachten und sie können durch
Einbauten (Lampen) oder großen Objekten im Raum, aber auch durch Öffnungen in den
Wänden (Zug) oder die Bewegung von Personen (Vermischung, thermische Konvektion) stark
beeinflusst werden [24, 25]. Im Hinblick auf eine effiziente Filterung des Aerosols im Raum mit
mobilen Geräten ist daher die richtige Positionierung eines Raumluftreinigers wichtig. Aber
auch die Position, an der die Aerosolpartikel lokal emittiert werden, spielt eine große Rolle.
Weitere Einflussparameter sind die von der Aktivität abhängige emittierte
Aerosolkonzentration sowie die Verweildauer im Raum.
Aufgrund der Komplexität des Strömungsproblems wird im Rahmen dieser Untersuchungen
ein experimenteller Ansatz genutzt, da nur so die vielen Einflussfaktoren physikalisch richtig
erfasst werden können.
Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein TROTEC TAC V+ Raumluftreiniger
genutzt, der die folgenden Merkmale aufweist [27]:
1. Maximaler Volumenstrom von etwa 1500 m3/h.
2. Filter der Klasse F7 und H14. H14 bedeutet, dass Aerosolpartikel mit einem
Durchmesser von 0,1 bis 0,3 μm zu 99,995% abgeschieden werden. Größere Partikel
werden zu 100% abgeschieden.
3. Der Filter kann nach dem Einsatz auf über 100°C aufgeheizt werden, um die Viren im
Filter zu zerstören und der Entstehung von Biofilmen, Bakterien und Pilzen ohne
gesundheitsschädliche chemische Zusatzstoffe oder UV-C Strahlung
entgegenzuwirken.
4. Das Gerät kann trotz seines Gewichts leicht bewegt werden, so dass es in diversen
Bereichen problemlos eingesetzt werden kann.
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2. Versuchsaufbau und Durchführung der PIV Experimente
Das Ziel der ersten Versuchsreihe bestand darin die Ansaug- und Ausblascharakteristik des
Raumluftreinigers bei verschiedenen Leistungsstufen / Volumenströmen zu quantifizieren.
Gemäß Abbildung 2 muss dazu die mittlere Luftgeschwindigkeit und die turbulenten
Luftschwankungen in der Umgebung des Raumluftreinigers quantitativ erfasst werden. Diese
Größen sind wichtig, um festzustellen, ob die Luftbewegung von Personen in der Nähe als
störend empfunden werden. Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich kleiner 0,3 m/s werden
bei ruhiger Tätigkeit in der Regel nicht als störend empfunden. Da sich die gefühlte
Luftbewegung additiv aus der mittleren und der turbulenten Strömungsbewegung
zusammensetzt, muss die Summe aus beiden Anteilen im Mittel kleiner als 0,3 m/s sein. Um
diese beiden Größen in Abhängigkeit vom Abstand zum Gerät ortsaufgelöst bestimmen zu
können, wurde die Particle Image Velocimetry (PIV) eingesetzt [28]. Bei dieser Messtechnik
wird die Bewegung künstlich erzeugter Aerosolpartikel, die der Luftbewegung exakt folgen, in
einem Laserlichtschnitt mit digitalen Kameras zu zwei Zeitpunkten registriert und anschließend
wird mit digitalen Bildverarbeitungsmethoden die Verschiebung der Partikelbilder bestimmt.
Aus der Verschiebung der Partikelbilder kann dann unter Berücksichtigung des Zeitintervalls
zwischen den Messungen und einer Kalibrierung die ortsaufgelöste
Geschwindigkeitsverteilung in der Messebene berührungslos bestimmt werden. Abbildung 3
zeigt zur Illustration Aufnahmen des Versuchsaufbaus und während einer Messung.
Abbildung 3: Experimenteller Aufbau mit Raumluftreiniger, zwei Doppelpulslasern und 4
sCMOS Kameras (links) und Aufnahme während der Messung mit PIV (rechts)
Für die Experimente wurden 4 PCO.edge 5.5 sCMOS Kameras mit Zeiss Makro-Objektiven
mit Brennweiten von 35 mm und 50 mm verwendet. Das Aerosol wurde mit einem
Seedinggenerator der Firma PIVTEC aus Di-2-ethylhexyl-sebacat (DEHS) erzeugt. Der
mittlere Durchmesser de Aerosolpartikel beträgt 1 μm und die Größenverteilung liegt zwischen
0,1 2 μm [29]. Für die PIV Strömungsexperimente in Kapitel 6 wurden mit Helium gefüllte
Seifenblasen mit einem mittleren Durchmesser von ca. 350 μm verwendet, die mit einem
HFSB Generator der Firma LaVision erzeugt wurden. Zwei Quantel Evergreen 200 Laser
wurden für die Beleuchtung der Partikel eingesetzt, deren Strahlen mithilfe verschiedener
Linsen zu Lichtschnitten aufgespannt wurden [28]. Das Messsystem wurde mit der Software
DaVis von LaVision GmbH gesteuert, welche auch zur Datenauswertung verwendet wurde.
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3. Charakterisierung des Strömungsfeldes in der Umgebung des Raumluftreinigers
In den Abbildungen 4 9 sind die Ergebnisse der Messungen bei Volumenströmen von 600
m3/h, 1000 m3/h und 1500 m3/h dargestellt. In der oberen Abbildung sind jeweils der
Geschwindigkeitsbetrag farbkodiert und die Richtung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit
als Vektoren gezeigt, in der unteren ist der Betrag der turbulenten Luftbewegung dargestellt.
Abbildung 4: Mittleres Strömungsfeld gemessen bei 600 m3/h.
Abbildung 5: Turbulente Strömungsbewegung zeitlich gemittelt bei 600 m3/h.
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Abbildung 6: Mittleres Strömungsfeld gemessen bei 1000 m3/h.
Abbildung 7: Turbulente Strömungsbewegung zeitlich gemittelt bei 1000 m3/h.
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Abbildung 8: Mittleres Strömungsfeld gemessen bei 1500 m3/h.
Abbildung 9: Turbulente Strömungsbewegung zeitlich gemittelt bei 1500 m3/h.
Die quantitativen Messergebnisse verdeutlichen, dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit
und die turbulente Bewegung in der Umgebung des Gerätes die kritischen Werte gemäß
Abbildung 2 nicht übertreffen. Daher ist selbst bei einem Aufenthalt in der unmittelbaren Nähe
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des Raumluftreinigers keine Beeinträchtigung des Wohlbefindens durch Luftbewegungen zu
erwarten. Bei einem Volumenstrom von 1500 m3/h werden vor dem Ansaugbereich etwas
größere Strömungsgeschwindigkeiten erreicht, allerdings nur im Beinbereich und nur bis ca.
0,5 m Entfernung vor dem Gerät. Im empfindlichen Kopf- und Körperbereich sind die mittleren
Strömungsgeschwindigkeiten und die turbulente Luftbewegung deutlich kleiner als 0,3 m/s.
Direkt im Bereich der Ausströmung und oberhalb des Gerätekopfes werden deutlich größere
Strömungsgeschwindigkeiten erreicht. Bei einem Abstand von 0,5 m zum Gerät sind diese
aber selbst im Stehen nicht spürbar, da der austretende Freistrahl durch Leitbleche stark nach
oben gerichtet ist. Es ist daher auch kaum möglich den Auslassstrahl zu verblocken, was zu
einer Beeinträchtigung der Filterwirkung im Raum führen könnte. Als Ergebnis lässt sich
feststellen, dass durch den Betrieb des Raumluftreinigers die Luftgeschwindigkeiten den
Richtlinien entsprechen.
4. Strömungseffekte durch Objekte
In einer unabhängigen Studie wurde bereits gezeigt, dass die Filterwirkung vom Standort des
Gerätes und Objekten im Raum abhängen kann [30]. Um zu ermitteln, inwieweit eine
Positionierung des Raumluftreinigers dicht an der Wand und lange Deckenlampen die
Strömungsbewegung im Raum nachteilig beeinflussen und damit ggf. die Zeit für die Filterung
der Raumluft verzögernnnen, wurde der Raumluftreiniger dicht an einer Wand positioniert
und der Auslassstrahl durch raumteilende Deckenlampen blockiert. Die in Abbildung 10
dargestellte Geschwindigkeitsverteilung verdeutlicht, dass die ausgeblasene Luft zunächst an
die Decke steigt und dann an der Decke umgelenkt wird. Aufgrund des Coandă Effektes liegt
der Auslassstrahl an der Decke an und breitet sich als sogenannter Wandstrahl aus. Bedingt
durch die hervorstehenden Deckenlampen, die über die gesamte Raumlänge verlaufen,
kommt es erneut zu einer Strömungsumlenkung und folglich bildet sich ein großer Wirbel aus.
Diese Wirbelströmungen sind tendenziell schlecht, da die gefilterte Luft teilweise wieder zum
Gerät geführt wird und erneut gefiltert wird, bevor eine hinreichende Aufnahme von Viren im
Raum durch Entrainment erfolgen kann [24]. Derartige Konstellationen sollten daher durch
geeignete Aufstellung des Gerätes im Raum möglichst vermieden werden.
Um eine effektive Filterung der Raumluft zu ermöglichen, ist zu empfehlen, den
Raumluftreiniger möglichst in der Mitte der längsten Raumseite zu positionieren und es ist
darauf zu achten, dass die auf die Decke treffenden Luftstrahlen möglichst lange ungestört an
der Decke entlangströmen können. Wenn die Decke glatt ist und der Raum nicht zu groß, dann
kann der Strahl bis zur anderen Seitenwand strömen. Dort wird er dann nach unten umgelenkt
und strömt entlang des Bodens zurück zum Ansaugbereich des Raumluftreinigers, wie in
Abbildung 11 (links) schematisch dargestellt. Auf diese Weise wird ein bestmöglicher
Luftaustausch sichergestellt, da die kontaminierten Luftbereiche im Raum kontinuierlich über
wenige groß Wirbelströmungen zum Gerät befördert werden. Wenn die Luftausbreitung an der
Decke z.B. durch eine Lampenrehe unterbrochen wird, dann ist eine Strömungsbewegung wie
in Abbildung 11 (rechts) gezeigt zu erwarten, sofern der Raum hinreichend groß ist.
Die Behinderung der Luftausbreitung an der Decke kann auch durch eine stake Wärmequelle
(Heizung, Herd, Menschengruppe) im Raum verursacht werden. Wärmequellen bewirken,
dass die Dichte der Luft abnimmt und aufgrund der verringerten Dichte wird sie leichter als die
Umgebungsluft und daher wird sie durch die schwereren Luftmassen im unteren Bereich
verdrängt und steigt auf. Diese thermische Konvektionsströmung gelangt dann zur Decke, wo
sie in alle Richtungen umgelenkt wird. Diese Strömung kann daher der durch den Lüfter
erzeugten Strömungsbewegung entgegenwirken und zur Strömungsablösung an der Decke
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führen. In diesem Fall kann sich wieder eine Wirbelströmung ausbilden, die nicht den
gesamten Raum erfasst, und dadurch kann die Filterleistung reduziert werden, analog zu der
schematischen Darstellung in Abbildung 11 (rechts). Es ist aber zu beachten, dass die
turbulente Luftbewegung im Raum immer dafür sorgen wird, dass die gesamte Raumluft nach
einer gewissen Zeit in den Einflussbereich des Lüfters kommt und die Aerosolpartikel dann
abgeschieden werden. Das Ziel sollte es aber sein, die Zeit für die Filterung der Raumluft
möglichst gering zu halten.
Abbildung 10: Gemessene Raumluftströmung vor dem Gerät mit unterbrochener Decke
Abbildung 11: Vereinfachte schematische Darstellung der Raumluftströmung in einem leeren
Raum (links) und bei Vorhandensein einer Lampenreihe an der Decke (rechts). In der
Realität sind die Strömungsphänomene dreidimensional.
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5. Versuchsaufbau und Durchführung der Konzentrationsmessungen
Mit dem Ziel, die Filterleistung des Raumluftreinigers quantitativ zu bestimmen, wurden
Konzentrationsmessungen an sechs Positionen in dem 80 m2 großen Raum simultan
durchgeführt. Zur Ermittlung der Abklingraten der Aerosolkonzentration in der Raumluft wurde
das Particle Imaging Verfahren angewendet. Dazu wird der Raum zunächst mit sehr
langlebigen Aerosolpartikel, deren Größenverteilung dem beim Atmen, Sprechen und Singen
emittierten Aerosolpartikeln entspricht, homogen und mit hoher Konzentration vernebelt. Die
Langlebigkeit des Aerosols ist sehr wichtig, da sonst eine Verfälschung der Messergebnisse
durch Verdunstung auftreten würde. Ferner ist die geringe Größe wichtig, da sich die
Aerosolpartikel sonst im Laufe der Zeit absetzten würden, was ebenfalls systematische
Messfehler bewirken würde. Das Aerosol wird mit einem gepulsten Laser beleuchtet und mit
einer Kamera mit geeignetem Objektiv abgebildet und für die Weiterverarbeitung gespeichert.
Die Anzahl der Partikelbilder auf dem Sensor entspricht der Anzahl der Aerosolpartikel im
beleuchteten Volumen. Die Anzahl auf dem Sensor darf nicht zu hoch sein, da überlappende
Partikelbilder die Zählung systematisch verfälschen würde. Aus diesem Grund muss der
Abbildungsmaßstab des optischen Systems an die Anfangskonzentration des Aerosols
angepasst werden. Zur Detektion der Partikelbilder werden digitale Filter angewendet, welche
das Rauschen unterdrücken, und anschließend wird mittels eines Intensitätsschwellwerts der
Hintergrund entfernt. Als Ergebnis dieser Bildvorbearbeitung verbleiben auf dem Bild lediglich
die Partikelbilder, die dann gezählt werden. Ohne diese Bildvorbearbeitung könnten
stochastisches Bildrauschen fälschlich als Signal interpretiert werden, was zu systematischen
Messfehlern führen würde. Durch Aufnahmen mit einer festen Frequenz über einen
ausreichend langen Zeitraum können die einzelnen Partikelbilder in jeder einzelnen Aufnahme
zuverlässig gezählt werden. Als Ergebnis der Messungen ergibt sich die Anzahl im
Messvolumen über der Zeit, woraus Kenngrößen wie z.B. die Abklingrate, Halbwertszeit etc.
ermittelt werden können.
Um die Funktionalität des TROTEC TAC V+ Raumluftreinigers in einem 80 Quadratmeter
großen Raum zu analysieren, wurde die Aerosolkonzentration an 6 unabhängigen Orten im
Raum simultan gemessen. Aus Symmetriegründen wurde nur auf der Symmetrieachse des
Raumes und in einer Raumhälfte die Konzentration bestimmt. Mit einem PIVTEC
Seedinggenerator wurde aus Di-2-ethylhexyl-sebacat (DEHS) das Aerosol mit einer
Partikelgrößenverteilung zwischen 0,1 2 μm und einem mittleren Durchmesser von ca. 1 μm
erzeugt [19]. Zur Aufnahme der Aerosolpartikel wurden 6 PCO.edge 5.5 sCMOS Kameras mit
Zeiss Makro-Objektiven mit einer Brennweite von 50 mm verwendet. Für die Beleuchtung des
Aerosols im Messvolumen wurden 2 Quantel Evergreen 200 Laser genutzt, wobei die Laser
so aufgestellt wurden, dass sich jeweils 3 Messpunkte (Kameras) einen Laserstrahl zur
Beleuchtung des lokalen Messvolumens teilen (MP1 MP3 und MP4 MP6). Die einzelnen
Kameras und Laser wurden mit der Software DAVIS von LaVision zentral angesteuert, sodass
die Aufnahmen aller 6 Kameras synchron durchgeführt wurden. Die Aufnahmerate betrug 1
Hz.
Abbildung 12 zeigt die optisch verzerrte Panoramaaufnahme der Versuchsanordnung in dem
Raum und Abbildung 13 verdeutlicht in der Draufsicht die Geometrie und Abmessung des
Raumes sowie die Positionen des Gerätes und der sechs Messstellen. Es wurden zwei
Gerätepositionen gewählt. Position A kann als quasi optimale Position angesehen werden.
Eine Positionierung in der Raummitte wäre noch vorteilhafter im Hinblick auf die Filtereffizienz
gemäß Abbildung 11, aber eine zentrale Aufstellungsposition wird in den seltensten Fällen in
der Praxis realisiert werden. Position B verdeutlicht die ungünstigste Position im Raum, da die
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Aufstellung in der Ecke des Raumes und die Lampen an der Decke eine optimale
Raumluftströmung verhindern werden, gemäß Abbildung 10.
Abbildung 12: Optisch verzerrte Panoramaaufnahme des Versuchsraumes mit den
Komponenten für die Konzentrationsmessungen
Abbildung 13: Anordnung der Komponenten im Raum für die Konzentrationsmessungen
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6. Ergebnisse der Konzentrationsmessungen
Mit Hilfe des in Abschnitt 2 verwendeten Versuchsaufbaus wurde zunächst visuell der
Abscheidegrad am Austritt des Gerätes verifiziert. Dazu wurde der gesamte Raum mit einem
DEHS Aerosol mit einem Durchmesser von 0,1 2 μm und einem mittleren Durchmesser von
ca. 1 μm [19] homogen vernebelt. Mit Hilfe eines Laserlichtschnittes im Bereich der
Ausströmung wurde gemessen, ob noch Aerosol aus dem Auslassbereich des Gerätes
herauskommt. Abbildung 14 zeigt, dass der an der oberen Ecke des Raumluftreinigers
austretende Freistrahl bei den verschiedenen Volumenströmen frei von Aerosol ist (schwarzer
Bereich). Die Umgebung des Freistrahles ist hingegen vollständig mit Aerosol kontaminiert
(weiße Bereiche). Damit ist die Leistungsfähigkeit des Filters der Klasse H14 selbst bei hohen
Volumenströmen optisch klar erkennbar. Gut zu sehen ist auch die turbulente Struktur des
Freistrahles und das Entrainment, d.h. die Einmischung von mit Aerosol belasteten
Strömungsbereichen in den sauberen Freistrahl [24]. Dieser Entrainment- bzw.
Vermischungseffekt ist sehr wichtig für einen effizienten Transport des Aerosols zum
Ansaugbereich des Raumluftreinigers.
Abbildung 14: Darstellung der Aerosolverteilung im Bereich der Ausströmung bei einem
Volumenstrom von 1000 m3/h
Abbildung 15 zeigt beispielhaft den Verlauf der Aerosolkonzentration über der Zeit. In der
linken Abbildung ist die Aerosolkonzentration bei ausgeschaltetem Raumluftreiniger als
Referenz dargestellt. Da alle Öffnungen in dem Raum dicht abgeklebt wurden und die
Aerosolpartikel sich kaum absetzen, ist die Konzentration weitgehend konstant über die
betrachtete Messzeit, so dass eine Beeinflussung der Konzentrationsmessungen bei den
Messungen mit eingeschaltetem Gerät durch natürliche Abscheidungsprozesse nicht
beeinflusst wird. Darüber hinaus wurden Tests bei laufendem Gerät ohne F7 und H14 Filter
durchgeführt. Dass der Abfall der Partikelkonzentration geringfügig stärker ist als im Fall ohne
Betrieb des Raumluftreinigers ist darauf zurückzuführen, dass einige wenige Aerosolpartikel
aufgrund der Zentrifugalkräfte im Gebläse abgeschieden werden. Ein Flüssigkeitsfilm konnte
aber weder auf dem Lüfter noch im Gehäuse des Gebläses festgestellt werden.
Die Ergebnisse verdeutlichen klar, dass kleine langlebige Tröpfchenkerne oder Tröpfchen
unter Bedingungen, bei denen sich die Verdunstungsrate mit der Kondensationsrate im
Gleichgewicht befindet, quasi dauerhaft in der Luft verbleiben. Die angegebenen Werte für die
Abklingzeiten in Abbildung 15 (links) ermöglichen abzuschätzen, wie lange es dauert bis die
Aerosolkonzentration aufgrund von Absetzungsphänomenen mit den Wänden einen
gewünschten Wert erreicht. Aufgrund der sehr kleinen Abklingkonstante ist klar, dass das
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Aerosol über viele Stunden Infektionen hervorrufen kann, wenn es nicht herausgefiltert wird
oder die zeitliche Deaktivierung der Viren eine Infektion unwahrscheinlich macht.
Es ist auch offensichtlich, dass das Aerosol, da es nicht vollständig verdunstet, durch die
Luftströmung über sehr große Strecken (im Prinzip viele Kilometer) transportiert werden kann.
Es ist allerdings zu berücksichtigen, dass bei diesem Transport die Konzentration und damit
die Infektionswahrscheinlichkeit aufgrund von zwei Prozessen enorm abnimmt. Einerseits
sorgt die turbulente Diffusion für eine räumliche Verbreitung des Aerosols, die auch dann
stattfindet, wenn die mittlere Strömungsgeschwindigkeit Null ist. Andererseits wird das über
einen Zeitraum freigesetzte Aerosol räumlich stark gestreckt und daher verdünnt, wenn die
mittlere Strömungsgeschwindigkeit nicht Null ist. Wird z.B. bei leichter körperlicher Belastung
über einen Zeitraum von 2 Sekunden 1 Liter Luft ausgeatmet und die umgebende Luft hat eine
Geschwindigkeit von 1 m/s, dann wird die ausgeatmete Luft aufgrund der Strömung über einen
Bereich von 2 m gestreckt. Die Konzentration wird daher rechnerisch um den Faktor 20
abnehmen und damit die Virenlast im Nachlauf der Person, von der das Aerosol ausgeatmet
wird. Werden Viren z.B. von einem Radfahrer ausgeatmet, der mit einer Geschwindigkeit von
10 m/s fährt, dann wird die Virenlast im Nachlauf rechnerisch allein aufgrund der
Geschwindigkeit um den Faktor 200 verdünnt. Wird noch die turbulente Diffusion
berücksichtigt, dann nimmt die Konzentration nochmal um mindestens 1 2
Größenordnungen ab. Hinzu kommt noch, dass nicht alle Aerosolpartikel Viren tragen, siehe
Kapitel 8. In der freien Natur ist daher bei ausreichender Windgeschwindigkeit eine
Aerosolinfektion extrem unwahrscheinlich.
Abbildung 15: Abnahme der Aerosolkonzentration mit der Zeit für verschiedene
Volumenströme und zugehörige exponentielle Fitfunktionen
In Abbildung 15 (rechts) ist die Abnahme der Aerosolkonzentration in dem 80 m2 großen Raum
in Abhängigkeit von der Zeit und dem Volumenstrom des Raumluftreinigers dargestellt. Die
sehr effiziente Abnahme der Konzentration innerhalb weniger Minuten zeigt die
Leistungsfähigkeit der F7 / H14 Filterkombination in Verbindung mit dem Volumenstrom des
Raumluftreinigers. Der exponentiell abnehmende Verlauf der Aerosolkonzentration ermöglicht
es, charakteristische Größen quantitativ zu bestimmen, die für die Bewertung der Filterleistung
ganz wesentlich sind. Die Abklingkonstante ist ein Maß für die Effizienz der Filterung. Je größer
der Wert, desto besser die Filterwirkung und desto kürzer die Zeit, die zur Filterung der
Raumluft benötigt wird. Die Halbwertzeit gibt an, wie lange es dauert bis die
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Aerosolkonzentration am Ort der Messung auf die Hälfte abgenommen hat. Die mittlere
Verweilzeit charakterisiert, wie lange die an den jeweiligen Messpositionen emittierten
Aerosole statistisch im Raum verweilen bis sie vom Raumluftreiniger abgeschieden werden.
Tabelle 1: Abnahme der Aerosolkonzentration mit der Zeit für verschiedene Volumenströme.
Abklingrate (schwarz), Halbwertszeit (grün) und mittlere Verweilzeit (blau).
Messposition 600 m3/h
(Position A) 1000 m3/h
(Position A) 1500 m3/h
(Position A) 1000 m3/h
(Position B)
MP1 3,30 | 0,21 | 0,30 4,13 | 0,17 | 0,24 6,06 | 0,11 | 0,17 3,35 | 0,21 | 0,30
MP2 3,04 | 0,23 | 0,33 3,86 | 0,18 | 0,26 5,95 | 0,12 | 0,17 3,04 | 0,23 | 0,33
MP3 2,90 | 0,24 | 0,34 3,48 | 0,20 | 0,29 5,48 | 0,13 | 0,18 3,22 | 0,22 | 0,33
MP4 3,11 | 0,22 | 0,32 4,03 | 0,17 | 0,25 6,16 | 0,11 | 0,16 3,47 | 0,20 | 0,29
MP5 3,05 | 0,23 | 0,33 3,82 | 0,18 | 0,26 6,05 | 0,11 | 0,17 3,25 | 0,21 | 0,31
MP6 2,86 | 0,24 | 0,35 3,65 | 0,19 | 0,27 5,62 | 0,12 | 0,18 2,95 | 0,24 | 0,34
Abklingrate [1/h] | Halbwertszeit [h] | mittlere Verweilzeit [h]
Die Filterleistung ist stark vom Volumenstrom des Raumluftreinigers abhängt, aber trotz der
Raumgröße nur wenig vom Abstand zum Gerät. Bei 600 m3/h ist bei Position 1 nach rund 12
Minuten die Aerosolkonzentration halbiert und an der am weitesten entfernten Position 6 nach
ca. 14 Minuten. Bei einem Volumenstrom von 1500 m3/h dauert eine Halbierung der
Aerosolkonzentration bei Position 1 rund 6 Minuten und 7 Minuten an der Position 6.
In der rechten Spalte sind zum Vergleich die Werte für einen Volumenstrom von 1000 m3/h für
die Position B des Raumes angegeben. Im Vergleich mit den Ergebnissen an der Position A
bei gleichem Volumenstrom ergibt sich eine Beeinträchtigung der Filterleistung von rund 20%.
Eine schlechte Position kann folglich durch einen größeren Volumenstrom kompensiert
werden, allerdings ist dann bei gleicher Filterleistung der Energiebedarf größer und die
Geräuschentwicklung höher. Daher ist die Auswahl der Position durchaus ein wichtiger Punkt.
In der Tabelle 2 wurde ein belasteter und ein neuer Filter der Klasse H14 vergleichend
vermessen. Unter Berücksichtigung der Messunsicherheit von 2σ=0,14 [1/h] lässt sich kein
signifikanter Unterschied zwischen beiden Filtern feststellen. Es ist daher zu erwarten, dass
die Filter je nach Belastung eine Lebensdauer von mehreren Jahren aufweisen können.
Tabelle 2: Vergleich zwischen einem belasteten und einem unbelasteten Filter
Messposition 1000 m3/h (Position
A), belasteter Filter 1000 m3/h (Position
A), neuer Filter
MP1 4,13 | 0,17 | 0,24 4,22 | 0,16 | 0,24
MP2 3,86 | 0,18 | 0,26 3,75 | 0,18 | 0,27
MP3 3,48 | 0,20 | 0,29 3,50 | 0,20 | 0,29
MP4 4,03 | 0,17 | 0,25 4,09 | 0,17 | 0,24
MP5 3,82 | 0,18 | 0,26 3,82 | 0,18 | 0,26
MP6 3,65 | 0,19 | 0,27 3,60 | 0,19 | 0,28
Abklingrate [1/h] | Halbwertszeit [h] | mittlere Verweilzeit [h]
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7. Abhängigkeit der Filterleistung von der Raumgeometrie
Die Filterleistung ist nicht nur abhängig von dem Gerät und dem Aufstellungsort, sondern auch
von der Geometrie des Raumes. Insbesondere lang gestreckte Räume lassen sich schlechter
filtern, da der Strahl an der Decke irgendwann ablöst und sich dann ein Rezirkulationsgebiet
ausbildet, das nicht bis zur gegenüberliegenden Wand reicht. Diese Situation ist vergleichbar
mit der Situation in Abbildung 11 (rechts) wobei die Ablösung der Strömung von der Decke
nicht durch ein Objekt, sondern durch die Reduzierung des Impulses des Wandstrahles mit
zunehmender Entfernung, bedingt ist. Die Reduzierung des Impulses wird durch die
Wandreibung, die turbulente Luftbewegung und das in Abbildung 14 sehr schön zu sehende
Entrainment verursacht. Gerade durch das Entrainment werden langsame Strömungsbereiche
mit Aerosol durch den gefilterten Wandstrahl beschleunigt und die dafür erforderliche Arbeit
führt zur Verringerung des Wandstrahlimpulses. Die Turbulenz führt primär zu einer
Strahlverbreiterung, was ebenfalls zu einer lokalen Impulsabnahme führt und daher die
Ablöseposition des Wandstrahles näher zum Gerät verlagert. Aufgrund dieser Effekte ist es
möglich, dass der vordere Raumbereich sehr gut gefiltert wird, aber der hintere Bereich nicht.
Um diese Situation generisch zu untersuchen, wurden Messungen in einem langgestreckten
Raum durchgeführt, der eine Querschnittsfläche von ca. 4 m2 aufweist. Es wurden zwei
verschiedene Raumlängen untersucht: 22,4 m (Versuchsaufbau siehe Abbildung 16) und 11,8
m (Abbildung 17).
Abbildung 16: Anordnung der Komponenten in der Konfiguration langer Flur für die
Konzentrationsmessungen
Abbildung 17: Anordnung der Komponenten in der Konfiguration kurzer Flur für die
Konzentrationsmessungen
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Die aus den Konzentrationsmessungen ermittelten Größen sind in den Tabellen 3 und 4
dargestellt. Es ist klar zu erkennen, dass auch in diesen lang gestreckten Räumen eine recht
schnelle Abscheidung der Aerosolpartikel erzielt wird. Auch an dem weit entfernten Messpunkt
MP2 in der langen Konfiguration ist eine deutliche Abnahme der Aerosolkonzentration
festzustellen, die in etwa der Abnahme an der Position MP1 entspricht. Erwartungsgemäß
werden die Aerosolpartikel in der Konfiguration kurzer Flur schneller abgeschieden. Aus dieser
Analyse folgt, dass bei sehr langgestreckten Räumen die Verwendung von zwei
Raumluftreinigern an den jeweiligen Enden empfehlenswert sein kann.
Tabelle 3: Abnahme der Aerosolkonzentration in der Konfiguration langer Flur mit der Zeit für
verschiedene Volumenströme. Abklingrate (schwarz), Halbwertszeit (grün) und mittlere
Verweilzeit (blau).
Volumenstrom MP1 MP2
600 m³/h 4,21 | 0,16 | 0,24 3,98 | 0,17 | 0,25
1000 m³/h 4,83 | 0,14 | 0,21 4,49 | 0,15 | 0,22
1585 m³/h 6,98 | 0,10 | 0,14 7,33 | 0,09 | 0,14
Abklingrate [1/h] | Halbwertszeit [h] | mittlere Verweilzeit [h]
Tabelle 4: Abnahme der Aerosolkonzentration in der Konfiguration kurzer Flur mit der Zeit für
verschiedene Volumenströme. Abklingrate (schwarz), Halbwertszeit (grün) und mittlere
Verweilzeit (blau).
Volumenstrom MP1
600 m³/h 7,37 | 0,09 | 0,14
1000 m³/h 9,91 | 0,07 | 0,10
1585 m³/h 14,57 | 0,05 | 0,07
Abklingrate [1/h] | Halbwertszeit [h] | mittlere Verweilzeit [h]
8. Vergleich der Abscheiderate des F7 und H14 Filters
RLT Anlagen zur Feinstaubabscheidung mit hoher Luftreinheit sind in der Regel nicht mit
Filtern der Klasse H14 ausgerüstet, sondern oft nur mit Filtern der Klasse F7. Es stellt sich
daher die Frage, ob ein Filter der Klasse F7 ausreicht, um beim Atmen, Sprechen, Singen,
Husten und Niesen erzeugte Aerosolpartikel zuverlässig und effizient abzuscheiden. In [23]
wird behauptet, dass mit einer doppelten Filterung der Raumluft mit einem Filter der Klasse F7
insgesamt 99 % der luftgetragenen Bakterien und Viren aus einem Luftstrom entfernt werden.
SARS-CoV-2 ist etwas 0,15 μm groß, aber da es entweder über Tröpfchen oder
Tröpfchenkerne übertragen wird, sind eher Abscheidegrade im Bereich 0,3 ‒ 1 μm zu
betrachten. Der Abscheidegrad eines Filters der Klasse H14 beträgt 99,995 % für Partikel mit
einem Durchmesser im Bereich kleiner 0,3 μm und nahezu 100% für alle größeren
Durchmesser. Für einen Filter der Klasse F7 beträgt er 40 65% im Bereich 0,3 ‒ 1 μm und
noch deutlich weniger im Bereich kleiner 0,3 μm. Selbst eine zehnfache Filterung des Aerosols
mit einem Filter der Klasse F7 liefert ein schlechteres Abscheideergebnis als die einfache
Filterung mit einem Filter der Klasse H14. Die Annahme, dass ein großer Volumenstrom mit
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einem F7 Filter zu vergleichbaren Ergebnissen führt wie ein H14 Filter bei kleinem
Volumenstrom ist daher nicht plausibel für die betrachtete Größenklasse. Es ist auch zu
berücksichtigen, dass die Abscheidung kleiner Partikel auf physikalischen Mechanismen
beruht, die nur dann effizient arbeiten, wenn die Strömungsgeschwindigkeit im Filter klein ist.
Daher ist eine deutliche Steigerung des Volumenstromes nur dann ratsam, wenn auch die
Gesamtfläche des Filters vergrößert wird. Ein hoher Volumenstrom führt zwangsläufig auch
zu einer großen Luftgeschwindigkeit im Raum und das kann nach Abbildung 2 unangenehm
sein. Ferner nimmt mit der Luftgeschwindigkeit auch der Lärm zu. Darüber hinaus ist zu
berücksichtigen, dass eine große Luftgeschwindigkeit in den Lüftungskanälen zu einer
Zunahme der Verluste führt und damit der Energiebedarf steigt. Auf der anderen Seite ist der
Strömungswiderstand eines Filters der Klasse F7 deutlich kleiner als einer der Klasse H14
was für den Filter der Klasse F7 spricht. Um die Filterleistung der beiden Filter vergleichend
bewerten zu können, wurden Versuche bei einem Volumenstrom von 1000 m3/h in dem in
Abbildung 17 dargestellten Raum durchgeführt.
Tabelle 5: Abnahme der Aerosolkonzentration in der Konfiguration kurzer Flur mit der Zeit für
verschiedene Filterkonfigurationen. F7 + H14, nur F7, keine Filter, Gerät ausgeschaltet.
Abklingrate (schwarz), Halbwertszeit (grün) und mittlere Verweilzeit (blau).
Volumenstrom MP1
1000 m³/h (F7 + H14) 9,91 | 0,07 | 0,10
1000 m³/h (nur F7) 4,15 | 0,17 | 0,24
1000 m³/h (ohne
Filter) 0,65 | 1,07 | 1,54
0 m³/h 0,66 | 1,05 | 1,52
Abklingrate [1/h] | Halbwertszeit [h] | mittlere Verweilzeit [h]
Die Ergebnisse der Untersuchung verdeutlichen, dass die Halbwertzeit für die F7 + H14
Konfiguration 4,2 Minuten beträgt, für den F7 Filter alleine 10,2 Minuten und 64 Minuten ohne
Filter. Die Analyse zeigt, dass eine RLT Anlage mit Filtern der Klasse F7 bei mehrfacher
Filterung durchaus zu guten Abscheidegraden kommt und daher sollte eine vorhandene RLT
Anlage mit Filtern der Klasse F7 oder besser auch unbedingt betrieben werden. Trotzdem
sollte der Frischluftanteil möglichst groß sein, um den Nachteil zum Filter der Klasse H14 bei
der Abscheidung der kleinen Aerosole zu kompensieren.
Wenn eine schnelle und hoch effiziente Filterung erforderlich ist, die auch die kleinsten
Aerosolpartikel zuverlässig herausfiltert, dann ist eine Filterkombination der Klasse F7 + H14
zu empfehlen. In Bereichen, die über keine RLT Anlagen verfügen und die nicht zu voluminös
sind, bieten mobile Raumluftfilter eine sehr gute Möglichkeit die Aerosole in der Raumluft ohne
die Nachteile der freien Lüftung zu entfernen.
9. Betrachtung von Partikeln und deren Infektiosität
Im Rahmen dieser Studie wurde primär die Abscheidung von Aerosolpartikeln mit einem
Durchmesser im Bereich 0,3 ‒ 2 μm betrachtet, da diese Größe einerseits physikalisch schwer
abzuscheiden ist und weil andererseits diese Größe für SARS-CoV-2 Infektionen aus unserer
Sicht besonders relevant sind. Bei Betrachtung der potentiell als gefährlich betrachteten
Aerosole müssen 2 Punkte beachtet werden. Wie eingangs erläutert muss zum einen bei der
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Größe der Aerosolpartikel zwischen dem nassen Zustand und dem trockenen Zustand
unterschieden werden. Werden die Partikel in der Lunge oder dem Atemtrakt erzeugt, so sind
sie zunächst nass, d.h. die Feststoffe (Salze, Eiweiße, …) und eventuell vorhandene Viren
befinden sich in einer wässrigen Umgebung. Verlassen diese nassen Aerosolpartikel den
Körper, verdunstet die wässrige Phase in kurzer Zeit, wenn die Luftfeuchtigkeit moderate
Werte aufweist. Für kleine Partikel mit Durchmessern im Bereich weniger Mikrometer
geschieht dies bei geringer umgebender Luftfeuchtigkeit innerhalb von Sekundenbruchteilen
[6]. Übrig bleiben feste Tröpfchenkerne, die nur noch einen sehr geringen Wasseranteil
aufweisen. Geht man vereinfachend davon aus, dass das gesamte Wasser verdunstet, so
ergeben sich die in Abbildung 18 dargestellten Durchmesser der trockenen Aerosolpartikel
ausgehend von den nassen Aerosolpartikel. Dargestellt sind 3 Kurven für verschiedene
typische Feststoffmassenanteile von 1, 3 und 5% [31]. Die Dichte von Wasser wurde mit 1000
kg/m³, die Dichte der Feststoffe mit 1300 kg/m³ angenommen.
Abb. 18: Durchmesser der getrockneten Aerosolpartikel in Abhängigkeit des anfänglichen
Durchmessers der nassen Aerosolpartikel für 3 verschiedene Feststoffmassenanteile
Der Durchmesser der freigesetzten Aerosolpartikel liegt in der Regel im Bereich kleiner 10 μm,
wobei das Maximum der Größenverteilung näherungsweise bei 1 μm liegt [32, 33]. Für eine
direkte Infektion sind Durchmesser in diesem Bereich maßgeblich, aber für die indirekte
Infektion sind die aus Abbildung 18 ablesbaren Durchmesser für die jeweiligen Feststoffanteile
zu berücksichtigen. Für die Filterung sind bei moderater Luftfeuchtigkeit ebenfalls letztere
relevant. Die Größe der Aerosolpartikel, die abgeschieden werden ssen, liegt daher nach
Abbildung 18 im Bereich 0,3 3 μm, wobei nach dieser Rechnung Größen um 0,3 μm den
überwiegenden Teil der Aerosolpartikel ausmachen. Gemäß dieser Überlegung ist die von uns
in dieser Studie primär betrachtete Aerosolgrößenverteilung höchst relevant im Hinblick auf
eine SARS-CoV-2 Infektion.
Des Weiteren stellt sich die Frage, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass ein Aerosolpartikel
überhaupt ein infektiöses Virus beinhaltet. Hierfür wurde eine einfache Abschätzung
durchgeführt, wobei die Virenkonzentration [Viren/ml] auf die Anzahl von Aerosolpartikel pro
Volumen [Tröpfchen/ml] bei einem gewissen Partikeldurchmesser bezogen wurde. Das
Ergebnis dieser Betrachtung ist in Abbildung 19 dargestellt. Die Wahrscheinlichkeiten sind für
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4 verschiedene Virenkonzentrationen angegeben, die sich aus [34] ergeben. Nach diesen
Untersuchungen waren 7 × 106 Viren/ml eine durchschnittliche Virenkonzentration und 2,35 ×
109 Viren/ml die maximale Virenkonzentration in der Atemwegsschleimhaut. Es ist ersichtlich,
dass gerade kleine Aerosolpartikel nur eine geringe Wahrscheinlichkeit haben, ein Virus zu
transportieren. Nicht jedes von einem infizierten Menschen abgegebene Aerosolteilchen ist
somit infektiös.
Wird weiter angenommen, dass ein trockenes Aerosolpartikel einen Durchmesser von 1 µm
hat, so ergibt sich aus Abbildung 18 bei einem Feststoffanteil von 1% ein Durchmesser des
nassen Partikels von 5 µm. Bei einer Virenkonzentration in der Atemwegsschleimhaut von
rund 1 × 109 Viren/ml folgt hieraus eine Wahrscheinlichkeit, dass dieses Aerosolpartikel ein
Virus enthält von ca. 7%. Somit ist nur etwa jedes 14. Aerosolpartikel infektiös. Auf der anderen
Seite überwiegen bei weitem gerade die kleinen Aerosolpartikel in der Raumluft, so dass diese
nicht vernachlässigt werden können, insbesondere, wenn man sich lange in einem mit
infektiösem Aerosol kontaminierten Raum aufhält. Daher ist eine sehr gute und effiziente
Abscheidung der Aerosolpartikel mit kleinem Durchmesser oder eine gute Frischluftzufuhr zur
Verdünnung der Virenlast im Raum sehr wichtig, um das indirekte Infektionsrisiko zu
minimieren.
Abb. 19: Ergebnis einer einfachen Abschätzung für die Wahrscheinlichkeit, dass ein nasses
Aerosolpartikel ein Virus enthält
Zusammenfassung und Schlussfolgerung
Die quantitativen Messergebnisse zeigen, dass sich mit dem getesteten TROTEC TAC V+
Raumluftreiniger, aufgrund des großen Volumenstromes und der Filterkombination der Klasse
F7 + H14, die Aerosolkonzentrationen selbst in Räumen mit einer Fläche von 80 m2 je nach
Volumenstrom in 6 ‒ 15 Minuten halbieren lässt. Bei Räumen mit 20 m2 wird eine Halbierung
je nach Volumenstrom in 3 ‒ 5 Minuten realisiert. Es ist daher mit Raumluftreinigern möglich,
die Aerosolkonzentration in Räumen kleiner und mittlerer Größe problemlos auf einem
niedrigen Niveau zu halten.
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Selbst in einen 22m langen, flurartigen Raum mit über 40 m2 konnte bei maximalem
Volumenstrom eine Halbierung der Aerosolkonzentration innerhalb von rund 5 Minuten
realisiert werden. Bei größeren Räumen, Räumen mit vielen Objekten oder sehr ungünstigen
Geometrien sollten ggf. mehrere Raumluftreiniger eingesetzt werden, um alle Bereiche des
Raumes zügig zu filtern. Aufgrund der Gefährlichkeit der SARS-CoV-2 Infektion sollte die
Luftwechselrate aus unserer Sicht mindestens Werte im Bereich 4 – 8 erreichen.
Um eine möglichst effektive Filterung der Raumluft zu ermöglichen, sollte der Raumluftreiniger
möglichst an der längsten Raumseite in der Mitte positioniert sein. Ferner sollte der
Deckenbereich in Richtung der Ausströmungen möglichst nicht von Objekten unterbrochen
werden, da sonst die Ausbreitung der Wandstrahlen gestört wird und sich ungünstige
Wirbelströmungen im Raum etablieren können. Bei ungünstigen Betriebsbedingungen sollte
der Volumenstrom erhöht werden, um eine angemessene Filterleistung zu gewährleisten. Es
ist auch zu empfehlen, das Gerät im Dauerbetrieb zu betreiben und nicht stoßartig, damit sich
keine erhöhte Virenkonzentration im Raum ausbilden kann.
Leistungsstarke Raumluftreiniger mit F7 + H14 Filterkombination können die
Aerosolkonzentration in Räumen kleiner und mittlerer Größe auf einem niedrigen Niveau
halten und daher kann das indirekte Infektionsrisiko auch bei geschlossenen Fenstern und
ohne geeignete RLT Anlage durch diese Geräte stark reduziert werden. Sie sind daher sehr
gut geeignet, um z.B. in Klassenzimmern, Geschäften, Warte- oder Behandlungszimmern,
dauerhaft für eine geringe Virenlast zu sorgen, ohne sich um das Öffnen von Fenstern
kümmern zu müssen und das Wohlbefinden im Raum zu beeinträchtigen. Ferner sorgen sie
im Gegensatz zur freien Lüftung mit Fenstern auch dafür, dass eine wirkliche Reduzierung der
Virenlast erfolgt, was bei der freien Lüftung oft nicht gewährleistet werden kann. Sie bieten
auch gegenüber RLT Anlagen, die ohne oder mit einem geringen Frischluftanteil betrieben
werden, den Vorteil, dass die Viren wirklich abgeschieden werden und nicht über andere
Kanäle im Gebäude verteilt werden.
Damit der Raumluftreiniger nicht zur Virenschleuder wird, sollte der H14 Filter von dem Gerät
einmal täglich für ca. 30 Minuten auf etwa 100°C aufgeheizt werden, um die Viren im Filter zu
zerstören und der Entstehung von Biofilmen, Bakterien und Pilzen ohne
gesundheitsschädliche chemische Zusatzstoffe oder UV-C Strahlung entgegenzuwirken.
Abschließend ist zu betonen, dass Raumluftreiniger, geöffnete Fenster und leistungsstarke
RLT Anlagen zwar geeignete Werkzeuge sind, um dem indirekten Infektionsrisiko zu
begegnen, aber das direkte Infektionsrisiko, das durch direktes Anhusten oder beim langen
Unterhalten über kurze Distanz erfolgen kann, können sie nicht verringern. Es ist daher wichtig,
weiterhin ausreichend große Abstände zu anderen Personen einzuhalten und Mund-Nasen-
Bedeckungen oder partikelfiltrierende Atemschutzmasken zu tragen, damit eine direkte
Infektion vermieden wird.
Anmerkung
Die Untersuchungen wurden durch die Firma TROTEC GmbH, Heinsberg, finanziell
unterstützt. Der Raumluftreiniger TAC V+ wurde für die Untersuchungen von TROTEC
bereitgestellt. Die Untersuchungen wurden unter Einhaltung der guten wissenschaftlichen
Praxis durchgeführt. Die Unterstützung durch die Firma TROTEC hat keinerlei Auswirkung auf
die dargestellten Ergebnisse.
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[16] Heinz E (2016) Wohnraumlüftung frei und ventilatorgestützt. Beuth Verlag GmbH,
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Fragen. Über den Luftwechsel in Wohngebäuden. J.G. Cottaische Buchhandlung,
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[18] DIN EN 16798 Gebäude-Energieeffizienz mit LüKK-Systemen
[19] VDI 2082 Raumlufttechnik Verkaufsstätten (VDI-Lüftungsregeln)
[20] DIN 1946-4 Raumlufttechnik im Gesundheitswesen
[21] Deutsche Gesellschaft für Krankenhaushygiene (2002) Leitlinienentwurf: Ausführung
und Betrieb von raumlufttechnischen Anlagen (RLT-Anlagen) in Krankenhäusern. Hyg
Med 27. Jahrgang 2002 Heft 3
[22] Deutsche Gesellschaft für Krankenhaushygiene (2015) Krankenhaushygienische
Leitlinie für die Planung, Ausführung und den Betrieb von Raumlufttechnischen Anlagen
in Räumen des Gesundheitswesens. Hyg Med 2015; 40 12
[23] Fachverband Gebäude-Klima e. V. (2020) Betrieb Raumlufttechnischer Anlagen unter
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Wiley ISBN: 978-0-470-66035-5
[26] DIN 1946 Teil 2 (1994) Raumlufttechnik: Gesundheitstechnische Anforderungen (VDI-
Lüftungsregeln)
[27] https://de.trotec.com/produkte-services/maschinen-
highperformance/luftreinigung/raumluftreiniger-tac-v/
[28] Raffel M, Willert CE, Scarano F, Kähler CJ, Wereley ST, Kompenhans J (2018) Particle
Image Velocimetry: a practical guide. Springer, 3. Auflage, ISBN-10: 9783319688510
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Version vom 05.08.2020
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[34] Wölfel R, et al. (2020) Virological assessment of hospitalized patients with COVID-2019.
Nature 581:465469
... The argument that the SARS-CoV-2 viruses cannot be reliably separated because the viruses are smaller than 0.16 μm is not correct, because SARS-CoV-2 is transported by droplets or droplet nuclei and these are significantly larger than individual viruses and can be reliably separated by suitable particle-filtering masks [6]. It should also be noted that very small aerosol particles often do not carry viruses and even if they do carry a virus, many of these very small aerosol particles would have to be inhaled to cause an infection [8]. It is estimated that a dose of at least 500 -2000 viruses is required to cause a SARS-CoV-2 infection [9,10]. ...
... A simple and proven method of separating droplets and aerosols from the room air is offered by room air cleaners [8]. If they are equipped with a filter of the class H13 / H14 and the volume flow is large enough to lead six times the amount of the room volume per hour through the filter, then these devices are basically suitable to prevent indirect SARS-CoV-2 infections. ...
... This air movement is shown schematically by arrows in Figure 4 (left). In order for a large-scale circulation movement to develop in the room, the spread of the air flow should not be blocked by larger objects in the ceiling area (long protruding lamps, ceiling projections, ceiling beams, ...) [8,24]. The more undisturbed the air can propagate, the more efficiently and quickly the contaminated room air is passed through the unit. ...
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Indoor SARS-CoV-2 infections by droplets and aerosols are currently considered to be particularly significant. FFP2/3 respirator masks, which fit tightly and gap free, generally provide very good protection. In public transport, while shopping or in waiting rooms, they are therefore ideally suited to protect against direct and indirect infection. Unfortunately, these masks make it difficult to breathe and can be uncomfortable to wear in the long run. Therefore, these masks should be worn for a maximum of 3 × 75 minutes per day. These masks are therefore hardly suitable for schools or at work. The question therefore arises as to how people in closed rooms can be permanently protected from a SARS-CoV-2 infection. Large safety distances provide both self protection and protection of third parties, but they do not protect against indirect infection if the virus load in the room is high. Mouth and nose covers only offer protection of others against direct infection, but they do not protect the user against indirect infection. The same applies to faceshields and small protective walls. Indirect infections can be effectively prevented by free ventilation with windows or air conditioning systems that supply 100% outside air into the room, provided the air exchange rate is at minimum six times the room volume per hour. However, free ventilation by means of windows is rarely efficient enough, and in winter at the latest, it is no longer possible to open windows without wasting massive amounts of energy and endangering the health and well-being of people. The operation of air conditioning systems is also very energy-intensive during the cold season. Furthermore, most buildings do not have air conditioning systems. The question is therefore, how a largely safe protection against an indirect SARS-CoV-2 infection can be realized in closed rooms without wasting thermal energy and thus valuable resources. Technically, the problem can be solved with mobile disinfection devices or room air cleaners that separate the dangerous aerosol particles or inactivate the viruses by UV radiation or by contact with charge carriers. The potential of these devices is great and, since many German manufacturers produce these devices, they are also available. However, many of the devices offered do not provide effective protection because the volume flow is too small, the separation efficiency of the filters is too low and the performance of the UV and ionization unit is too weak. The Viromed Klinik Akut V 500 disinfection unit appears to meet the performance requirements and therefore the device is analyzed and evaluated in this study for its suitability to protect against SARS-CoV-2 infection.
... Currently, there is an increasing number of concepts being discussed that use room air cleaners/purifiers [33] or disinfection devices [34] to protect against indirect infection and provide individual protection measures to prevent the direct path of infection. Indoor air cleaners with class H14 filters and disinfection devices with electrostatic filtration, UV-C and ionization unit were analyzed in two studies to test their effectiveness [33,34]. ...
... Currently, there is an increasing number of concepts being discussed that use room air cleaners/purifiers [33] or disinfection devices [34] to protect against indirect infection and provide individual protection measures to prevent the direct path of infection. Indoor air cleaners with class H14 filters and disinfection devices with electrostatic filtration, UV-C and ionization unit were analyzed in two studies to test their effectiveness [33,34]. The main result of the study is that the viral load in the room is reduced very quickly and the retention time of the viruses after release is short if three criteria are met: ...
... The droplets produced when breathing, speaking, singing and coughing and the droplet nuclei formed from them by evaporation are only up to a few micrometers in size and can therefore only be separated almost completely and efficiently with really high-quality filters of class H14 [25]. The argument that this separation efficiency can also be achieved with a simple filter by multiple filtering could not be confirmed in earlier experiments [33]. However, this argument is also inappropriate, since this approach would require a doubling or even multiplication of the required air exchange rate in order to achieve a comparable level of safety from infection as that achieved with a class H14 filter in a single flow. ...
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Overview The future belongs to children and they need education to shape the future with foresight and intention. Children therefore have the right to education, according to Article 29 of the UN Convention on the Rights of the Child [1]. However, professional education is not everything, because children must also experience their strengths and weaknesses together and educate each other to be responsible and considerate people, so that they become socially valuable personalities. Only in this way can they shape the future in a peaceful and humane way. Therefore, attending school is essential. However, children also have the right to protection and care by their parents and the state, because the welfare of the child must also be given priority in accordance with Article 3 of the UN Convention on the Rights of the Child. The question is therefore how schooling in community schools can be realized during the SARS-CoV-2 pandemic without exposing children to an unnecessary risk of infection. It is not only about the children, because if the children are at risk, then so are their parents and grandparents and ultimately society as a whole. There are numerous concepts that promise safety in schools during the pandemic. When selecting concepts, the costs must of course be weighed against the benefits. People rightly expect an efficient use of resources. This means that either the set goal is achieved with the least possible resources or that the available resources are used to achieve the greatest possible approximation to the goal. In addition to the financial resources, however, the long-term consequences for the state, the economy, the population and the environment under the pressure of the pandemic must also be taken into account. Social cohesion and democracy must not be jeopardized either. Various protection concepts are currently under discussion. Often the advantages are overstated and the disadvantages concealed. Furthermore, some arguments are based on assumptions that are not true. The aim of this study is to provide a comparative assessment of the main protection concepts and to demonstrate, with the help of experimental analyses, the extent to which the protection concepts are effective. We will show that a comparatively high level of safety against infection in classrooms can be technically ensured without exposing children to masks. At the same time, the protection concept makes economic sense and the burden on the environment is comparatively low, so that infection prevention and climate protection do not have to be weighed against each other, because infection prevention and climate protection are political and social goals that have to be achieved together.
... The argument that the SARS-CoV-2 viruses cannot be reliably separated because the viruses are smaller than 0.16 μm is not correct, because SARS-CoV-2 is transported by droplets or droplet nuclei and these are significantly larger than individual viruses and can be reliably separated by suitable particle-filtering masks [6]. It should also be noted that very small aerosol particles often do not carry viruses and even if they do carry a virus, many of these very small aerosol particles would have to be inhaled to cause an infection [8]. It is estimated that a dose of at least 500 -2000 viruses is required to cause a SARS-CoV-2 infection [9,10]. ...
... A simple and proven method of separating droplets and aerosols from the room air is offered by room air cleaners [8]. If they are equipped with a filter of the class H13 / H14 and the volume flow is large enough to lead six times the amount of the room volume per hour through the filter, then these devices are basically suitable to prevent indirect SARS-CoV-2 infections. ...
... This air movement is shown schematically by arrows in Figure 4 (left). In order for a large-scale circulation movement to develop in the room, the spread of the air flow should not be blocked by larger objects in the ceiling area (long protruding lamps, ceiling projections, ceiling beams, ...) [8,24]. The more undisturbed the air can propagate, the more efficiently and quickly the contaminated room air is passed through the unit. ...
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Indoor SARS-CoV-2 infections by droplets and aerosols are currently considered to be particularly significant. FFP2/3 respirator masks, which fit tightly and gap free, generally provide very good protection. In public transport, while shopping or in waiting rooms, they are therefore ideally suited to protect against direct and indirect infection. Unfortunately, these masks make it difficult to breathe and can be uncomfortable to wear in the long run. Therefore, these masks should be worn for a maximum of 3 × 75 minutes per day. These masks are therefore hardly suitable for schools or at work. The question therefore arises as to how people in closed rooms can be permanently protected from a SARS-CoV-2 infection. Large safety distances provide both self protection and protection of third parties, but they do not protect against indirect infection if the virus load in the room is high. Mouth and nose covers only offer protection of others against direct infection, but they do not protect the user against indirect infection. The same applies to faceshields and small protective walls. Indirect infections can be effectively prevented by free ventilation with windows or air conditioning systems that supply 100% outside air into the room, provided the air exchange rate is at minimum six times the room volume per hour. However, free ventilation by means of windows is rarely efficient enough, and in winter at the latest, it is no longer possible to open windows without wasting massive amounts of energy and endangering the health and well-being of people. The operation of air conditioning systems is also very energy-intensive during the cold season. Furthermore, most buildings do not have air conditioning systems. The question is therefore, how a largely safe protection against an indirect SARS-CoV-2 infection can be realized in closed rooms without wasting thermal energy and thus valuable resources. Technically, the problem can be solved with mobile disinfection devices or room air cleaners that separate the dangerous aerosol particles or inactivate the viruses by UV radiation or by contact with charge carriers. The potential of these devices is great and, since many German manufacturers produce these devices, they are also available. However, many of the devices offered do not provide effective protection because the volume flow is too small, the separation efficiency of the filters is too low and the performance of the UV and ionization unit is too weak. The Viromed Klinik Akut V 500 disinfection unit appears to meet the performance requirements and therefore the device is analyzed and evaluated in this study for its suitability to protect against SARS-CoV-2 infection. https://www.unibw.de/lrt7-en/report_viromed_klinik_akut_v500.pdf
... 8 For this purpose, ACHs of 5-6 are recommended. 6,9 Multiple studies have investigated the decay rates of the aerosol particle concentration using air purifiers at varied ACHs. Burgmann and Janoske 10 showed that at an ACH of 6, the aerosol particle concentration is reduced by ∼80% within 30 min. ...
... In order to minimize the dwell time of the aerosol particles, Kähler et al. recommended placing the air purifier in the center of the room if possible. 9 Curtius et al. were able to report a 95% reduction in the aerosol particle concentration after 37 min using multiple purifiers to obtain the recommended ACH of 5. The decay rate determined at an ACH of 5.7 was (0.107 ± 0.01) min −1 , while the natural decay rate was (0.020 ± 0.01) min −1 . ...
Article
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Aerosol particles are one of the main routes of transmission of COVID-19. Mobile air purifiers are used to reduce the risk of infection indoors. We focus on an air purifier that generates a defined volumetric air flow through a highly efficient filter material. We investigate the transport of aerosol particles from an infected dummy equipped with an aerosol generator to receiving thermal dummies. For analysis, we use up to 12 particle sensors to monitor the particle concentration with high spatial resolution. Based on the measurement data, a computational fluid dynamics (CFD) model is set up and validated. The experimental and numerical methods are used to investigate how the risk of infection suggested by the particle exposure in an exemplary lecture hall can be reduced by a clever choice of orientation of the air purifier. It turns out that obstructing the outlet stream of the air purifier may be particularly advantageous. The particle concentration at the head height deviates by 13% for variations of the location and orientation. At an air change per hour of 5, the cumulated PM1 mass at the head level was reduced by 75%, independently of the location of the infected dummy, compared to the “natural decay” case, showing that filtration is an effective means of reducing aerosol particle concentrations. Finally, CFD simulation was used to monitor the particle fates. The steady simulation results fit quite well with the experimental findings and provide additional information about the particle path and for assessing the comfort level due to air flow.
... At a CADR of 750 m³/h, the risk of infection per hour of time spent in a room with an infected person has been proposed to be reduced to 10%. [127] Whilst the risk of infection is reduced, other mitigation strategies, such as ventilation and/or wearing masks, should also be implemented. Air purifiers can be used between meetings, which typically provide three to six air changes per hour, although higher air change values (e.g. 6) are recommended during the COVID-19 pandemic, to reduce the risk of infectious particles remaining within an environment. ...
... Air purifiers can be used between meetings, which typically provide three to six air changes per hour, although higher air change values (e.g. 6) are recommended during the COVID-19 pandemic, to reduce the risk of infectious particles remaining within an environment. [127] Further considerations should also be made when the air is cooler and drier, given that it has been shown that the SARS-CoV-2 virus survives in aerosols for considerably longer, [27,28,128] and the viral half-life is >10 times longer during the winter and autumn months compared with the summer. [25] Breaks and social interactions Similar to many other occupational settings, individuals in sport may have coffee and lunch breaks throughout the day. ...
Article
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The coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic has caused disruption to professional and recreational sports across the world. The SARS-CoV-2 virus can be transmitted by relatively large respiratory droplets that behave ballistically, and exhaled aerosol droplets, which potentially pose a greater risk. This review provides a summary of end-to-end SARS-CoV-2 transmission risk factors for sport and an overview of transmission mechanisms to be considered by all stakeholders. The risk of SARS-CoV-2 transmission is greatest indoors, and primarily influenced by the ventilation of the environment and the close proximity of individuals. The SARS-CoV-2 transmission risks outdoors, e.g. via water, and from fomites, appear less than initially thought. Mitigation strategies include good end-to-end scenario planning of activities to optimise physical distancing, face mask wearing and hygiene practice of individuals, the environment and equipment. The identification and removal of infectious individuals should be undertaken by means of the taking of temperature and COVID-19 symptom screening, and the use of diagnostic monitoring tests to identify asymptomatic individuals. Using adequate video footage, data from proximity technology and subject interviews, the identification and isolation of ‘close contacts’ should also be undertaken to limit SARS-CoV-2 transmission within sporting environments and into the wider community. Sports should aim to undertake activities outdoors where possible, given the lower SARS-CoV-2 transmission risk, in comparison to indoor environments.
... Das Argument, dass die SARS-CoV-2 Viren nicht zuverlässig abgeschieden werden könnten, weil die Viren kleiner als 0,16 μm sind, ist nicht richtig, denn SARS-CoV-2 wird ja mittels Tröpfchen oder Tröpfchenkernen transportiert und diese sind deutlich größer als einzelne Viren und können von geeigneten partikelfiltrierenden Masken zuverlässig abgeschieden werden [6]. Es ist auch zu berücksichtigen, dass ganz kleine Aerosolpartikel oft keine Viren tragen und selbst wenn sie ein Virus mit sich führen, müssten sehr viele dieser sehr kleinen Aerosolpartikel eingeatmet werden, um eine Infektion hervorzurufen [8]. Schätzungen gehen davon aus, dass eine Dosis von mindestens 500 -2000 Viren erforderlich ist, um eine SARS-CoV-2 Infektion auszulösen [9,10]. ...
... Eine einfache und bewährte Methode Tröpfchen und Aerosole aus der Raumluft abzuscheiden bieten Raumluftreiniger [8]. Sind diese mit einem Filter der Klasse H13 / H14 ausgestattet und ist der Volumenstrom groß genug, um die sechsfache Menge des Raumvolumens pro Stunde durch den Filter zu führen, dann sind diese Geräte grundsätzlich geeignet indirekte SARS-CoV-2 Infektionen zu verhindern. ...
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Übersicht SARS-CoV-2 Infektionen in Innenräumen durch Tröpfchen und Aerosole werden gegenwärtig als besonders bedeutend eingeschätzt. FFP2/3 Atemschutzmasken, die fest und dicht sitzen, bieten im Allgemeinen einen sehr guten Schutz. In öffentlichen Verkehrsmitteln, beim Einkauf oder im Wartezimmer sind sie daher bestens geeignet, um sich vor einer direkten und indirekten Infektion zu schützen. Leider erschweren diese Masken das Atmen und das Tragen kann auf Dauer unangenehm sein. Daher sollten diese Masken maximal 3 × 75 Minuten pro Tag getragen werden. Für Schulen oder bei der Arbeit sind sei daher kaum geeignet. Es stellt sich daher die Frage, wie Menschen in geschlossenen Räumen dauerhaft vor einer SARS-CoV-2 Infektion geschützt werden können. Große Sicherheitsabstände bieten einen Fremd-und Eigenschutz, aber sie schützen nicht vor einer indirekten Infektion, wenn die Virenlast im Raum groß ist. Mund-Nasen-Bedeckungen bieten nur einen Fremdschutz vor einer direkten Infektion aber sie schützen nicht vor einer indirekten Infektion. Das gleiche trifft auf Faceshields und kleine Schutzwände zu. Indirekte Infektionen können wirksam durch das freie Lüften mit Fenstern oder raumlufttechnischen (RLT) Anlagen, die 100% Außenluft in den Raum leiten, verhindert werden, sofern die Luftwechselrate dem sechsfachen des Raumvolumens pro Stunde entspricht. Das freie Lüften mittels Fenstern ist aber selten effizient genug und spätestens im Winter ist das Öffnen von Fenstern nicht mehr möglich, ohne massiv Energie zu verschwenden und die Gesundheit sowie das Wohlbefinden der Menschen zu gefährden. Der Betrieb von RLT Anlagen wird in der kalten Jahreszeit ebenfalls sehr energieintensiv. Ferner sind RLT Anlagen in den meisten Gebäuden nicht vorhanden. Die Frage ist daher, wie ein weitgehend sicherer Schutz vor einer indirekten SARS-CoV-2 Infektion in geschlossenen Räumen realisiert werden kann ohne thermische Energie und damit wertvolle Ressourcen zu vergeuden. Technisch lässt sich das Problem mit mobilen Entkeimungsgeräten oder Raumluftreinigern lösen, die die gefährlichen Aerosolpartikel abscheiden oder die Viren durch UV-Strahlung oder durch Kontakt mit Ladungsträgern inaktivieren. Das Potenzial der Geräte ist groß und, da viele deutsche Hersteller diese Geräte herstellen, sind sie auch verfügbar. Allerdings bieten viele der angebotenen Geräte keinen wirksamen Schutz, da der Volumenstrom zu klein, der Abscheidegrad der Filter zu gering und die Leistungsfähigkeit der UV-C und Ionisationseinheit zu schwach ist. Das Viromed Klinik Akut V 500 Entkeimungsgerät erscheint die Leistungsanforderungen zu erfüllen und daher wird das Gerät in dieser Studie auf seine Eignung zum Schutz vor einer SARS-CoV-2 Infektion hin analysiert und bewertet. https://www.unibw.de/lrt7/entkeimungsgeraet.pdf
... Therefore, the value is unlikely to fall much below 1. However, poor positioning of air cleaners (e.g., under lamps) can reduce the efficiency [19], just like window-ventilated rooms with a depth approximately >3 times their height [20]. ...
Article
As vaccination campaigns are in progress in most countries, hopes to win back more normality are rising. However, the exact path from a pandemic to an endemic virus remains uncertain. While in the pre-vaccination phase many critical indoor situations were avoided by strict control measures, for the transition phase a certain mitigation of the effect of indoor situations seems advisable. To better understand the mechanisms of indoor airborne transmissions, we present a new time-discrete model to calculate the level of exposure towards infectious SARS-CoV-2 aerosol and carry out a sensitivity analysis for the level of SARS-CoV-2 aerosol exposure in indoor settings. Time limitations and the use of any kind of masks were found to be strong mitigation measures, while how far the effort for a strict use of professional face pieces instead of simple masks can be justified by the additional reduction of the exposure dose remains unclear. Very good ventilation of indoor spaces is mandatory. The definition of sufficient ventilation in regard to airborne SARS-CoV-2 transmission follows other rules than the standards in ventilation design. This means that especially smaller rooms most likely require a significantly greater fresh air supply than usual. Further research on 50% group models in schools is suggested. The benefits of a model in which the students come to school every day, but for a limited time, should be investigated. In terms of window ventilation, it has been found that many short opening periods are not only thermally beneficial, they also reduce the exposure dose. The fresh air supply is driven by the temperature gradient and wind speed. However, the sensitivity towards these parameters is not very high and in times of low wind and temperature gradients, there are no arguments against keep windows open in order to make up for the reduced air flow rate. Long total opening periods and large window surfaces will strongly reduce the exposure. Additionally, the results underline the expectable fact that exposure doses will increase when hygiene and control measures are reduced. It seems advisable to investigate what this means for the infection rate and the fatality of infections in populations with partial immunity. Very basic considerations suggest that the value of aerosol reduction measures may be reduced with very infectious variants such as delta.
... Zwei der Sitzlätze sind nicht ausgeführt, da dort das Laser Messsystem installiert wurde, um die Konzentration der Aerosolpartikel zu bestimmen. Da die Abnahme der Aerosolkonzentration im Raum gemäß [33,34] ...
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Kindern gehört die Zukunft und damit sie die Zukunft vorausschauend und absichtsvoll gestalten können benötigen sie Bildung. Kinder haben daher das Recht auf Bildung, gemäß Artikel 29 der UN-Konvention über die Rechte des Kindes. Fachliche Bildung ist aber nicht alles, denn die Kinder müssen auch im Miteinander ihre Stärken und Schwächen erfahren und sich gegenseitig zu verantwortungs- und rücksichtsvollen Menschen erziehen, damit sie gesellschaftsfähige Persönlichkeiten werden. Nur so können sie die Zukunft auch friedlich und menschenwürdig gestalten. Daher ist der Besuch der Schule unerlässlich. Kinder haben aber auch das Recht auf Schutz und Fürsorge durch ihre Eltern und den Staat, denn auch das Wohl des Kindes ist gemäß Artikel 3 der UN-Konvention über die Rechte des Kindes vorrangig zu berücksichtigen. Die Frage ist daher, wie der Schulunterricht in Gemeinschaft während der SARS-CoV-2 Pandemie realisiert werden kann, ohne die Kinder einem unnötigen Infektionsrisiko auszusetzen. Es geht dabei nicht nur um die Kinder, denn wenn die Kinder gefährdet sind, dann sind es auch deren Eltern und die Großeltern und schließlich die gesamte Gesellschaft. Es gibt zahlreiche Konzepte, die während der Pandemie Sicherheit in Schulen versprechen. Bei der Auswahl der Konzepte müssen natürlich die Kosten im Verhältnis zum Nutzen abgewogen werden. Die Menschen erwarten zu Recht einen effizienten Mitteleinsatz. Das bedeutet, dass entweder das gesteckte Ziel mit möglichst geringen Mitteln erreicht wird oder, dass mit den verfügbaren Mitteln eine größtmögliche Annäherung an das Ziel erfolgt. Neben den finanziellen Mitteln sind aber auch die Langzeitfolgen für Staat, Wirtschaft, Bevölkerung und Umwelt unter dem Druck der Pandemie zu berücksichtigen. Auch der gesellschaftliche Zusammenhalt und die Demokratie dürfen nicht gefährdet werden. Es werden gegenwärtig verschiedene Schutzkonzepte diskutiert. Oft werden die Vorteile überhöht dargestellt und die Nachteile verschwiegen. Ferner beruhen manche Argumente auf Annahmen, die nicht zutreffen. Diese Studie verfolgt das Ziel, die wesentlichen Schutzkonzepte vergleichend zu bewerten und mit Hilfe von experimentellen Analysen nachzuweisen, inwieweit die Schutzkonzepte wirksam sind. Wir werden zeigen, dass eine vergleichsweise hohe Sicherheit vor einer Infektion in den Klassenzimmern technisch gewährleistet werden kann, ohne die Kinder mit Masken zu belasten. Gleichzeitig ist das Schutzkonzept ökonomisch sinnvoll und die Belastung für die Umwelt ist vergleichsweise gering, so dass Infektionsschutz und Klimaschutz nicht gegeneinander abgewogen werden müssen, denn Infektionsschutz und Klimaschutz sind politische und gesellschaftliche Ziele, die zusammen erreicht werden müssen. https://www.unibw.de/lrt7/schulbetrieb-waehrend-der-pandemie.pdf
Conference Paper
Exhalation of small aerosol droplets and their transport, dispersion and (local) accumulation in closed rooms have been identified as the main pathway for indirect or airborne respiratory virus transmission from person to person, e.g. for SARS-CoV 2 or measles (Morawska and Cao 2020). Understanding airborne transport mechanisms of viruses via small bio-aerosol particles inside closed populated rooms is an important key factor for optimizing various mitigation strategies (Morawska et al. 2020), which can play an important role for damping the infection dynamics of any future and the ongoing present pandemic scenario, which unfortunately, is still threatening due to the spreading of several SARS-CoV2 variants of concern, e.g. delta (Kupferschmidt and Wadman 2021). Therefore, a large-scale 3D Lagrangian Particle Tracking experiment using up to 3 million long lived and nearly neutrally buoyant helium-filled soap bubbles (HFSB) with a mean diameter of ~ 370 µm as passive tracers in a 12 m³ generic test room has been performed, which allows to fully resolve the Lagrangian transport properties and flow field inside the whole room around a cyclically breathing thermal manikin (Lange et al. 2012) with and without mouth-nose-masks and shields applied. Six high-resolution CMOS streaming cameras, a large array of powerful pulsed LEDs have been used and the Shake-The-Box (STB) (Schanz et al. 2016) Lagrangian particle tracking algorithm has been applied in this experimental study of internal flows in order to gain insight into the complex transient and turbulent aerosol particle transport and dispersion processes around seated breathing persons.
Article
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Many governments have instructed the population to wear simple mouth-and-nose covers or surgical face masks to protect themselves from droplet infection with the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in public. However, the basic protection mechanisms and benefits of these masks remain controversial. Therefore, the aim of this work is to show from a fluid physics point of view under which circumstances these masks can protect against droplet infection. First of all, we show that the masks protect people in the surrounding area quite well, since the flow resistance of the face masks effectively prevents the spread of exhaled air, e.g. when breathing, speaking, singing, coughing and sneezing. Secondly, we provide visual evidence that typical household materials used by the population to make masks do not provide highly efficient protection against respirable particles and droplets with a diameter of 0.3–2 μm as they pass through the materials largely unfiltered. According to our tests, only vacuum cleaner bags with fine dust filters show a comparable or even better filtering effect than commercial particle filtering FFP2/N95/KN95 half masks. Thirdly, we show that even simple mouth-and-nose covers made of good filter material cannot reliably protect against droplet infection in contaminated ambient air, since most of the air flows through gaps at the edge of the masks. Only a close-fitting, particle-filtering respirator without an outlet valve offers good self-protection and protection against droplet infection. Nevertheless, wearing simple homemade or surgical face masks in public is highly recommended if no particle filtrating respiratory mask is available. Firstly, because they protect against habitual contact of the face with the hands and thus serve as self-protection against contact infection. Secondly, because the flow resistance of the masks ensures that the air stays close to the head when breathing, speaking, singing, coughing and sneezing, thus protecting other people if they have sufficient distance from each other. However, if the distance rules cannot be observed and the risk of inhalation-based infection becomes high because many people in the vicinity are infectious and the air exchange rate is small, improved filtration efficiency masks are needed, to take full advantage of the three fundamental protective mechanisms these masks provide.
Article
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The practice of social distancing and wearing masks has been popular worldwide in combating the contraction of COVID-19. Undeniably, although such practices help control the COVID-19 pandemic to a greater extent, the complete control of viral-laden droplet and aerosol transmission by such practices is poorly understood. This review paper intends to outline the literature concerning the transmission of viral-laden droplets and aerosols in different environmental settings and demonstrates the behavior of droplets and aerosols resulted from a cough-jet of an infected person in various confined spaces. The case studies that have come out in different countries have, with prima facie evidence, manifested that the airborne transmission plays a profound role in contracting susceptible hosts. Interestingly, the nosocomial transmission by airborne SARS-CoV-2 viral-laden aerosols in healthcare facilities may be plausible. Hence, clearly defined, science-based administrative, clinical, and physical measures are of paramount importance to eradicate the COVID-19 pandemic from the world.
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Various mitigation measures have been implemented to fight the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, including widely adopted social distancing and mandated face covering. However, assessing the effectiveness of those intervention practices hinges on the understanding of virus transmission, which remains uncertain. Here we show that airborne transmission is highly virulent and represents the dominant route to spread the disease. By analyzing the trend and mitigation measures in Wuhan, China, Italy, and New York City, from January 23 to May 9, 2020, we illustrate that the impacts of mitigation measures are discernable from the trends of the pandemic. Our analysis reveals that the difference with and without mandated face covering represents the determinant in shaping the pandemic trends in the three epicenters. This protective measure alone significantly reduced the number of infections, that is, by over 78,000 in Italy from April 6 to May 9 and over 66,000 in New York City from April 17 to May 9. Other mitigation measures, such as social distancing implemented in the United States, are insufficient by themselves in protecting the public. We conclude that wearing of face masks in public corresponds to the most effective means to prevent interhuman transmission, and this inexpensive practice, in conjunction with simultaneous social distancing, quarantine, and contact tracing, represents the most likely fighting opportunity to stop the COVID-19 pandemic. Our work also highlights the fact that sound science is essential in decision-making for the current and future public health pandemics.
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Speech droplets generated by asymptomatic carriers of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) are increasingly considered to be a likely mode of disease transmission. Highly sensitive laser light scattering observations have revealed that loud speech can emit thousands of oral fluid droplets per second. In a closed, stagnant air environment, they disappear from the window of view with time constants in the range of 8 to 14 min, which corresponds to droplet nuclei of ca. 4 μm diameter, or 12- to 21-μm droplets prior to dehydration. These observations confirm that there is a substantial probability that normal speaking causes airborne virus transmission in confined environments.
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Hand washing and maintaining social distance are the main measures recommended by the World Health Organization (WHO) to avoid contracting COVID-19. Unfortunately, these measured do not prevent infection by inhalation of small droplets exhaled by an infected person that can travel distance of meters or tens of meters in the air and carry their viral content. Science explains the mechanisms of such transport and there is evidence that this is a significant route of infection in indoor environments. Despite this, no countries or authorities consider airborne spread of COVID-19 in their regulations to prevent infections transmission indoors. It is therefore extremely important, that the national authorities acknowledge the reality that the virus spreads through air, and recommend that adequate control measures be implemented to prevent further spread of the SARS-CoV-2 virus, in particularly removal of the virus-laden droplets from indoor air by ventilation.
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During January 26-February 10, 2020, an outbreak of 2019 novel coronavirus disease in an air-conditioned restaurant in Guangzhou, China, involved 3 family clusters. The airflow direction was consistent with droplet transmission. To prevent the spread of the virus in restaurants, we recommend increasing the distance between tables and improving ventilation.
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Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is an acute respiratory tract infection that emerged in late 20191,2. Initial outbreaks in China involved 13.8% cases with severe, and 6.1% with critical courses³. This severe presentation corresponds to the usage of a virus receptor that is expressed predominantly in the lung2,4. By causing an early onset of severe symptoms, this same receptor tropism is thought to have determined pathogenicity, but also aided the control, of severe acute respiratory syndrome (SARS) in 2003⁵. However, there are reports of COVID-19 cases with mild upper respiratory tract symptoms, suggesting the potential for pre- or oligosymptomatic transmission6–8. There is an urgent need for information on body site-specific virus replication, immunity, and infectivity. Here we provide a detailed virological analysis of nine cases, providing proof of active virus replication in upper respiratory tract tissues. Pharyngeal virus shedding was very high during the first week of symptoms (peak at 7.11 × 10⁸ RNA copies per throat swab, day 4). Infectious virus was readily isolated from throat- and lung-derived samples, but not from stool samples, in spite of high virus RNA concentration. Blood and urine never yielded virus. Active replication in the throat was confirmed by viral replicative RNA intermediates in throat samples. Sequence-distinct virus populations were consistently detected in throat and lung samples from the same patient, proving independent replication. Shedding of viral RNA from sputum outlasted the end of symptoms. Seroconversion occurred after 7 days in 50% of patients (14 days in all), but was not followed by a rapid decline in viral load. COVID-19 can present as a mild upper respiratory tract illness. Active virus replication in the upper respiratory tract puts the prospects of COVID-19 containment in perspective.